nghiên cứu hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA
NGHIÊN CƯÚ HỆ TRUYỀN ĐỘNG
KHÔNG
TIẾP XÚC SỬ DỤNG CÁC BỘ TREO TỪ
TÍNH
TRẦN THỊ THANH NGA
THÁI NGUYÊN 2009
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA
NGHIÊN CƯÚ HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHÔNG
TIẾP
XÚC SỬ DỤNG CÁC BỘ TREO TỪ
TÍNH
Học viên : Trần Thị Thanh Nga
Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Như Hiển
THÁI NGUYÊN 2009
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá
S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
MC LC
Li cam oan
Mc lc
Danh sỏch cỏc kớ hiu, cỏc ch vit tt
Danh mc cỏc bng
Danh mc cỏc hỡnh v, th
Li núi u
Ni
dung
CHNG
I
TNG QUAN V T V NH
HNG
IU KHIN
T
Trang

1
1.1 Gii thiu v b treo t tớnh v ng dng ca chỳng
1
1.1.1 t tớnh v truyn ng ng c
1
1.1.2
Gii thiu tng quỏt
v h
truyn ng khụng tip
xỳc
s dng
b
treo
t tớnh
4
1.1.3 Gii thiu cu trỳc c trng ca mt h thng truyn ng ng c
5
c trang b cỏc t tớnh.
1.1.4 Gii thiu h truyn ng khụng tip xỳc
7
1.1.5 Cu trỳc khụng tip xỳc
8
1.1.6 Cu trỳc ca cun dõy
15
1.1.7 Phõn loi t
16
1.1.8 Mt s ng dng phự hp ca ng c v mỏy phỏt kiu treo t tớnh
17
1.2 Mt s
cụng

trỡnh nghiờn cu ó cụng b v iu khin cỏc h phi tuyn
18
1.3 Cỏc cụng trỡnh nghiờn cu ó cụng b v iu khin t
19
KT LUN
21
CHNG
2
22
Mễ T TON HC T
2.1 Mụ hỡnh toỏn hc ca b treo t tớnh
22
2.1.1 Cu trỳc c in v nguyờn lý hot ng ca t
22
S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá
2.1.2 Cỏc mi quan h c bn
24
2.1.3 C cu chp hnh vi sai
27
2.1.4 ng c nam chõm vnh cu lp ghộp b mt
28
2.1.5 t chu ti hng tõm ( t)
29
2.1.6 Mụ ta toan hoc ụ t
31
2.2 Cỏc tớnh cht iu khin c ca b treo t tớnh
36
2.2.1 Lc kộo khụng cõn bng
36
2.2.1.1 Cỏc nguyờn tc c bn
36
2.2.1.2 Phộp phõn tớch trong lừi t hỡnh C v lừi t hỡnh ch I
37
2.2.1.3 Phộp phõn tớch trong t
38
2.2.2 Cỏc nguyờn tc iờu khiờn ụ t mt kờnh
39
KT LUN
42
CHNG 3
43
THIT K CC B IU KHIN B TREO T TNH
3.1 Thit k cỏc b iu khin PID

43
3.1.1 Mt vi nột v thut toỏn iu chnh PID
43
3.1.2 Cu trỳc chung ca h iu khin t ng
43
3.1.2.1 Thnh phn t l
45
3.1.2.2 Thnh phn tớch phõn
45
3.1.2.3 Thnh phn vi phõn
46
3.1.3 H gim chn - khi lng lũ xo tng ng
47
3.1.4 iu chnh ca cỏc h s khuych i PID (t l, tớch phõn, o hm)
50
3.1.4.1 iu chnh h s khuych i t l v vi phõn
54
3.1.4.2
Sai sụ v trớ trng thỏi n nh v iu chnh h s khuych i tớch
56
3.2 Thit k b iu khin nõng cao - Thit k b iu khin m lai F-PID
61
3.2.1 Gii thiu v b iu khin m
61
3.2.2 S khi ca h iu khin m
62
3.2.3 Nguyờn lý iu khin m
65
3.2.4 Cỏc nguyờn tc tng hp b iu khin m
66

S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá
3.2.5 Cỏc b iu khin m
70
3.2.5.1 Cỏc b iu khin kinh in
70
3.2.5.2 B iu khin m tnh
71
3.2.5.3 B iu khin m ng
74
3.2.5.4 H iu khin m lai (F - PID)
79
a. Gii thiu chung
79

b. Cỏc dng h m lai ph bin
81
3.2.5.5 Tng
hp h
iu khin
m lai
khụng thớch nghi cú
b
iu khin kinh
in
82
3.3 Mụ phng cỏc b iu khin ó thit k
84
3.3.1 Mụ phng vi b iu khin PID
84
3.3.2 Mụ phng vi b iu khin nõng cao
85
KT LUN
88
KT LUN V KIN NGH
89
TI LIU THAM KHO
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình vẽ
Tên hình
vẽ
Trang
CHƯƠNG
I
TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ VÀ ĐỊNH
HƯỚNG
ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ
TỪ
1
Hình 1.1
Sự tạo ra lực
từ

h
ƣ
ớng

tâm

bởi
mật độ
từ

thông

khe hở không cân
bằng:
a. mật độ từ thông khe hở cân bằng
b. mật độ từ thông khe hở không cân bằng
3
Hình 1.2 Sơ đồ
tƣợng trƣng
của một hệ truyền động không tiếp xúc
4
Hình 1.3 Động cơ với các ổ đỡ từ
6
Hình 1.4 Truyền động ổ đỡ không tiếp xúc
8
Hình 1.5 Hình dạng cơ bản của ổ đỡ từ
8
Hình 1.6 Bộ treo chủ động theo 2 trục:
a.điểm đỡ trục tại đáy b. không có tiếp xúc
9
Hình 1.7 Những biến đổi hệ treo tác dụng theo 5 phƣơng
a. Rotor bên trong
b. Rotor ngoài
c. Rotor rỗng
d. không gian lắp đặt tải nằm giữa trục
10

Hình 1.8 Sự kết hợp với ổ đỡ từ và ổ đỡ cơ khí thông
th
ƣ
ờng
a. với ổ đỡ từ thông thƣờng
b. với ổ đỡ cơ khí thông thƣờng
c. với trục quay dài
11
Hình 1.9 Một số hình ảnh ổ đỡ từ truyền thống
12
CHƢƠNG
2
MÔ TẢ TOÁN HỌC Ổ ĐỠ
TỪ
22
Hình 2.1 Hệ thống từ treo
23
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
Hình 2.2 Lõi từ C và lõi từ hình chữ I với một cuộn cảm
24
Hình 2.3 Mạch từ hoá
26
Hình 2.4 Cơ cấu điều chỉnh vi sai
28
Hình 2.5 Động cơ nam châm vĩnh cửu lắp ghép bề mặt
29
Hình 2.6 Ổ đỡ từ chịu tải
hƣớng
tâm
30
Hình 2.7 Mối quan hệ giữa lực
hƣớng
tâm và dòng điện
32
Hình 2.8
Mối quan hệ tuyến tính của lực
hƣớng
tâm với dòng điện phân
cực
33
Hình 2.9 Sơ đồ cách thức điều khiển dòng điện
34
Hình 2.10 Sơ đồ câu truc của một hệ thống từ treo
sử dụng năng

lƣợng
từ theo môt
ph
ƣ
ơng
34
Hình 2.11 Sơ đô câu truc rut gon
35
Hình 2.12 Lực từ kéo (hấp dẫn) và kích
thƣớc
khe hở: (a) kích
thƣớc
khe
hở rộng, (b) kích
thƣớc
khe hở
đƣợc
giảm xuống
37
Hình 2.13 Hệ thống treo
tƣ
tinh theo
ph
ƣ
ơng
x
39
CHƯƠNG
3
THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN BỘ TREO TỪ TÍNH

43
Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động
44
Hình 3.2 Hệ thống giảm chấn - khối
lƣợng
– lò xo
a. Sơ đồ cấu tạo
b. Sơ đồ khối
47
Hình 3.3 Hệ thống treo từ
tƣơng đƣơng
với hệ thống giảm chấn-khối
lƣợng
– lò xo
49
Hình 3.4
Hình 3.4 a.
Hình 3.4 b
Đáp ứng chuyển vị
tƣơng
ứng với lực nhiễu 1N
Mối quan hệ đáp ứng với chuyển vị K
p
Mối quan hệ đáp ứng với chuyển vị
K
d
52
53
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
Hình 3.4 c.
Hình 3.4 d.
Mối quan hệ đáp ứng tần số chuyển vị với
K
p
Mối quan hệ đáp ứng tần số chuyển vị với
K
d
53
54
Hình 3.5 Các hệ số khuyếch đại tỷ lệ và vi phân
55
Hình 3.6 Đáp ứng chuyển vị đối với các hệ số khuyếch đại PD tối
ƣu
hoá.

56
Hình 3.7 Bộ điều khiển PID: (a) sơ đồ khối; (b) các đặc tính tần số
57
Hình 3.8 Đáp ứng của thay đổi bậc trong tham khảo vị trí
58
Hình 3.9 Các đặc tính tần số của bộ điều khiển PID
59
Hình 3.10
Đáp ứng chuyển vị đối với K
i
60
Hình 3.11
Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ
63
Hình 3.12
Hệ thống điều khiển mờ
65
Hình 3.13 Mô hình chuyển đổi hiểu biết của con
ngƣời
và hệ mờ
67
Hình 3.14 Quan hệ truyền đạt bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ
72
Hình 3.15
Đƣờng
đặc tính y(x) cho trƣớc
74
Hình 3.16 Bộ điều khiển mờ động với 4 đầu vào và 2 đầu ra.
74
Hình 3.17 Hệ điều khiển mờ theo luật I

75
Hình 3.18a Mô hình điều khiển mờ theo luật PI
75
Hình 3.18a Mô hình điều khiển mờ theo luật PI
76
Hình 3.19 Hệ thống điều khiển mờ theo luật PD
76
Hình 3.20a
Bộ điều khiển mờ theo luật
PID(dùng
thuật toán chỉnh định PID
mờ)
77
Hình 3.20b Bộ điều khiển mờ theo luật PI (dùng thuật toán PID tốc độ)
78
Hình 3.21 Hệ điều khiển mờ PID
78
Hình 3.22a Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ
80
Hình 3.22b Hệ mờ với bộ mờ cho tín hiệu chủ đạo x
80
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
Hình 3.23 Cấu trúc hệ mờ lai Cascade
81
Hình 3.24 Chọn bộ điều khiển thích nghi bằng khóa mờ
82
Hình 3.25 Sự phân bố các giá trị mờ của biến vào
83
Hình 3.26 Sự phân bố các giá trị mờ của biến ra
83
Hình 3.27 Quan sát tín hiệu vào ra của bộ điều khiển mờ lai
83
Hình 3.28 Quan hệ vào – ra của bộ điều khiển mờ.
84
Hình 3.29 Sơ đồ mô phỏng với bộ PID kinh điển
85
Hình 3.30 Kết quả mô phỏng chuyển vị theo
phƣơng
x của ổ từ có sử dụng
bộ PID kinh điển
85
Hình 3.31 Sơ đồ mô phỏng hệ có sử dụng hệ điều khiển mờ lai F-PID
86
Hình 3.32 Kết quả mô phỏng chuyển vị theo

phƣơng
x có sử dụng hệ điều
khiển mờ lai F-PID
86
Hình 3.33 Sơ đồ mô phỏng hệ có sử dụng bộ PID kinh điển và hệ điều
khiển mờ lai F-PID
87
Hình 3.34 Kết quả mô phỏng chuyển vị theo
phƣơng
x có sử dụng bộ điều
khiển PID kinh điển và hệ điều khiển mờ lai F-PID
87
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
LỜI NÓI

ĐẦU
Công nghệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ đã được phát triển và có
phạm vi áp dụng rộng kể từ thập niên 70 bởi những ưu thế vượt trội của nó so với
truyền động
động
cơ một chiều như: hiệu suất cao; gọn; nhẹ; có yêu cầu bảo trì thấp và
giá thành
động
cơ rẻ. Sự tăng lên về công suất và tốc độ quay của động cơ không đồng
bộ càng làm mở rộng phạm vi ứng dụng của loại động cơ này. Một hạn chế không
tránh khỏi trong chế độ bảo dưỡng đối với truyền động động cơ không đồng bộ là
việc bôi trơn và thay thế ổ đỡ. Hầu hết trong một truyền động công nghiệp đều liên
quan đến các ổ đỡ cơ khí. Các ổ đỡ có thể gây ra vấn đề lớn cho các ứng
dụng
truyền
động động
cơ trong khoảng không gian xung quanh cũng như đối với môi trường có
chứa các chất độc hại hoặc bị nhiễm xạ. Hơn nữa, dầu bôi trơn không thể dùng được
trong các điều kiện như chân không và phải được thay thế định kỳ, nhiệt độ khí quyển
quá cao hoặc quá thấp, hoặc trong các dây chuyền thực phẩm và dược phẩm. Vì vậy,
các hệ truyền động sử dụng ổ đỡ cơ khí không phù hợp trong các thiết bị máy quay đòi
hỏi tốc độ cao, yêu cầu độ chính xác cao, phải dùng được chất bôi trơn do có sự tiếp
xúc trực tiếp giữa phần chuyển động và phần tĩnh, cần phải được thay thế
định kì với yêu cầu phải tháo phần thân của động cơ. Ngày nay, cuôc cach mang khoa
hoc kỹ thuật trên thế giới đang phát triển với tốc độ vũ b, ãkohông ngưng vươn tới
những đỉnh cao mơi, trong đo co nhưng thanh tưu vê ky thuât tư đông hoa san
xu.

âVt
iệc sử dụng hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính là một trong những

bước tiến quan trọng của ngành cơ khí, cho phép khắc phục những nhược điểm của các
hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ với các ổ đỡ cơ khí. Tuy nhiên, các lợi
thế này buộc chúng ta phải
có khả năng áp dụng, cài đặt và thiết kế các phương pháp điều khiển ổ đỡ phù hợp.
Phần quan
trọng
của các hệ
truyền động không
tiếp xúc sử
dụng
bộ treo từ
tính
là bộ
điều
khiển.
Hiện nay các bộ điều khiển cho các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo
từ tính có chất lượng thấp như không thích nghi, không bền vững, tín hiệu điều khiển
không bị chặn. Thực tế này là do
động
lực học của các hệ truyền động không tiếp xúc
sử dụng bộ treo từ tính có tính phi tuyến cao và các phương pháp thiết kế các bộ điều
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
khiển cho các hệ phi tuyến (bao
gồm
các hệ truyền
động không
tiếp xúc sử
dụng
bộ treo
từ
tính)
chịu tác
dụng
của nhiễu ngoại sinh và chứa các tham số thay đổi theo thời gian
chưa được nghiên cứu và phát
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
triển hoàn thiện để có thể ứng dụng vào việc thiết kế các bộ điều khiển thích nghi bền
vững cho các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính. Vì vậy nghiên
cứu thiết kế các bộ điều khiển chất lượng cao cho một số hệ phi tuyến bao gồm các bộ
treo từ tính là cấp thiết.
Với
những
ý nghĩa trên đây và được sự định hướng của thầy giáo PGS.TS Nguyễn
Như Hiển em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu hệ truyền động không tiếp xúc sử
dụng bộ treo từ tính
Được sự giúp đỡ và hướng dẫn rất tận tình của Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Như
Hiển và một số đồng nghiệp, đến nay em đã hoàn thành luận văn của mình. Mặc dù đã
có nhiều cố gắng nhưng do thời gian có hạn nên không tránh khỏi một số thiếu sót
nhất định. Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn đồng
nghiệp để cho luận văn
hoàn thiện
hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Tác
giả
Trần
Thị
Thanh

Nga
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá
1
S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
CHNG
I
TNG QUAN V T V NH HNG
IU KHIN T
1.1. Gii thiu v b treo t tớnh v ng dng ca chỳng
1.1.1 t tớnh v truyn ng ng c
Khỏi nim v t ó cú t hn 100 nm trc, tuy nhiờn giỏ thnh v phc
tp ca nú ó cn tr vic ng dng v phỏt trin trong cụng nghip . í
tng
v

vic treo mt i
tng
bng t
trng
ó
c
t ra t gia nhng nm 1800. Rt
nhiu thớ nghim v cỏc ng dng thc t ó tr lờn hin thc t nhng nm 1960.
Do
s
phỏt trin trong cụng ngh iu
khin
, c v phn cng ln phn mm ó to
c hi cho viờc
s
dung ụ
t
trong cụng nghip phỏt trin
nh
lm gim kớch c ,
phc tp cng
nh
giỏ thnh ca nú.
Vo nhng nm cui ca thp k 80, khỏi nim mi v khụng tip xỳc ó
c a vo cụng ngh truyn ng ng c khụng ng b. T ú n nay, lớ
thuyt v kin thc c bn v khỏi nim ny ó
c
nghiờn cu cựng vi rt vic
phỏt trin nhiu truyn ng th nghim vi mc ớch thu thp kinh nghim v s
hot ng v hnh vi ca nhiu loi truyn ng ng c khụng ng b

khụng tip xỳc.
Cụng ngh truyn ng s dng ng c khụng ng b ó c phỏt trin v
cú phm vi ỏp dng rng k t thp niờn 70 bi nhng
u
th vt tri ca nú so
vi truyn ng ng c mt chiu
nh:
hiu sut cao; gn; nh; cú yờu cu bo trỡ
thp v giỏ thnh ng c r. S tng lờn v cụng sut v tc quay ca ng c
khụng ng b cng lm m rng phm vi ng dng ca loi ng c ny. Mt hn
ch khụng trỏnh khi trong ch bo dng i vi truyn ng ng c khụng
ng b l vic bụi trn v thay th . Cỏc cú th gõy ra vn ln cho cỏc
ng dng truyn ng ng c trong khong khụng gian xung quanh cng
nh
i
vi mụi
trng
cú cha cỏc cht c hi hoc b nhim x. Hn na, du bụi trn
khụng th dựng
c
trong cỏc iu kin nh chõn khụng, nhit khớ quyn quỏ
S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá
2
cao hoc quỏ thp, hoc trong cỏc dõy chuyn thc phm v
dc
phm. Do ú, cỏc
b treo t tớnh cú th m rng phm vi ng dng .
Hu ht yờu cu v bo
dng
trong mt truyn ng cụng nghip u liờn quan
n cỏc c khớ. Cỏc h truyn ng s dng c khớ khụng phự hp trong
cỏc thit b mỏy quay ũi hi tc cao, yờu cu chớnh xỏc cao, phi dựng c
cht bụi trn do cú s tip xỳc trc tip gia phn chuyn ng v phn tnh. Du
bụi trn phi
c
thay th nh k. cng cn phi
c
thay th nh kỡ vi
yờu cu phi thỏo phn thõn ca ng c. Nu nh trc c treo bi mt lc t,
nhng yờu cu bo hnh ny s khụng cn thit. Do vy tin ti s dng
khụng tip xỳc cú nhiu
u
th cho

ngi
s dng ng c.
Cỏc h truyn ng khụng tip xỳc s dng b treo t tớnh l mt trong nhng
bc
tin quan trng ca ngnh c khớ, cho phộp gim tn hao v tng chớnh xỏc
(nh loi tr
c
bo mũn do ma sỏt) gia cụng i vi cỏc trc chớnh cao tc. Tuy
nhiờn, cỏc li th ny buc chỳng ta phi cú kh nng ỏp dng, ci t v thit k
cỏc
phng
phỏp iu khin phự hp.
Cng cn chỳ ý rng b treo t tớnh yờu cu thi gian ct mu ngn mt cỏch
cõn xng vi truyn ng ng c. Yờu cu ny l do b treo t tớnh khụng n nh
mt cỏch c hu do ú cn thit cú cỏc b iu khin vi sai hoc iu khin sm
phase thc hin h thng treo t tớnh n nh. t
c
gii hn phase ti tn
s ct cn phi cú tn s ct mu nhanh. Yờu cu v tn s ct mu ph thuc vo
quỏn tớnh c khớ v s khú khn trong thit k.
ng c khụng tip xỳc
th

ng
tn dng li th ca t
trng
to ra bi
dũng in trong cun dõy ca ng c. Do ú, cú
c
thụng tin v t

trng
quay
ny l rt quan trng. Cỏc b iu khin da trờn lý thuyt iu khin vộc t cung
cp s iu chnh mụ men tc thi cng
nh
iu chnh t
trng
quay. Do ú v trớ
gúc quay v cng t trng cú th iu chnh c. Da trờn v trớ gúc v
cng
t
trng
ca ng c, cỏc lc
hng
tõm c phỏt ra bi s to thờm
cỏc t
trng
s dng dũng in cun dõy ca b treo. Do vy cú th núi rng cụng
ngh khụng tip xỳc ng trờn lớ thuyt iu khin vộc t.
S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá
3
Cõu to v nguyờn lý lm vic ca t
tng
t
nh
mt ng c in . Tuy
nhiờn, thay vỡ to ra momen xon quay rụtor
nh
ụng c iờn , nú to ra mt
lc treo ngừng trc trong lũng . Khong cỏch gia ngừng trc v lút thụng
thng
khong 0,5-2 mm
Hỡnh v 1.1 ch ra cỏc nguyờn lý s phỏt ra lc
hng
tõm roto ca hai trng
hp ng c khụng tip xỳc v ng c t tớnh.
Hỡnh 1.1 - S to ra lc t hng tõm bi mt t thụng khe h khụng cõn
bng: a. mt t thụng khe h cõn bng
b. mt t thụng khe h khụng cõn bng
Mt trc quay s
c
bao bc bi lừi ca stato. Roto v stato
c

t húa bi
bn cc t theo trỡnh t bc, nam, bc, nam. Cú nhng lc hp dn t tớnh rt mnh
gia lừi ca roto v lừi ca stato bờn
di
cỏc cc t ny. Trong hỡnh 1.1a, 4 cc t
cú cựng mt t thụng v do ú cú cựng biờn lc hp dn . Nh vy l, tng
vector ca 4 lc
hng
tõm ny bng 0.
Ngc
li, trong hỡnh 1.1b mt cc t bc
thỡ mnh hn so vi ba cc t cũn li nờn nú cú lc
hng
tõm mnh hn. S phõn
b mt t thụng khe h khụng cõn bng ny dn n lc t hng tõm s tỏc
ng vo roto. Trong
trng
hp ny, lc
hng
tõm roto tỏc ng vo roto t phớa
tay phi. Trong c 2
trng
hp ng c cú t tớnh v ng c khụng , lc
hng
tõm roto c to bi
trng
in t khụng cõn bng tc l lc
hng
tõm
S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá
4
roto
c
to ra bi s khỏc bit ca lc
hng
tõm
di
cỏc cc t. Lc hp dn
thỡ khụng n nh vỡ nú s mnh hn lờn nu
nh
roto dch chuyn theo chiu ca
lc. im lc
hng

tõm bng 0 ti trng tõm ca nũng stato l mt im khụng n
nh, do ú cn thit cú phn hi õm.
ng dng cụng ngh truyn ng lc treo t tớnh trong tu in m t ca
Nht, lc treo t tớnh
c
to ra bi s
tng
tỏc gia t thụng ca cun dõy siờu
dn v dũng in ca cun dõy cm ng. Cú ngha l khụng cn thit mt b iu
khin phn hi õm. Trong mt vi ng dng ca bỏnh , vt liu siờu dn
c
s
dng
nh
l cỏc t tớnh. Nhng cun dõy hoc vt liu siờu dn ny cung cp
mt m t n nh. Tuy nhiờn giỏ thnh thỡ
tng
i cao bi chỳng cn n mt
h thng lm lnh v cỏch nhit. Ngy nay, yờu cu i vi cỏc gii phỏp cho cỏc
thit b lc t tớnh hp dn ca b treo t tớnh cn phi n gin, trng
lng
nh, r
tin.
1.1.2. Gii thiu tng quỏt v h truyn ng khụng tip xỳc s dng b treo t
tớnh
Vic s dng h truyn ng khụng tip xỳc s dng b treo t tớnh l mt trong
nhng bc tin quan trng ca ngnh c khớ, cho phộp gim tn hao v tng
chớnh xỏc (nh loi tr
c
bo mũn do ma sỏt) gia cụng i vi cỏc trc chớnh cao

tc. Tuy nhiờn, cỏc li th ny buc chỳng ta phi cú kh nng ỏp dng, ci t v
thit k cỏc
phng
phỏp iu khin phự hp.
Hỡnh 1.2 - S tng trng ca mt h truyn ng khụng tip xỳc
S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá
5
Hỡnh 1.2 l s
tng trng
ca mt h truyn ng khụng tip xỳc s dng b
treo t tớnh. V nguyờn lý, bao gm 2 phn chớnh: phn chuyn ng cú th l
chuyn ng quay hoc tnh tin (rotor) v phn tnh (stator). trờn phn tnh cú
lp t mt s mch t to ra lc t tỏc dng lờn phn chuyn ng ca . Cỏc

lc t tỏc dng lờn phn chuyn ng ca
c
iu khin bi hiu in th hoc
cng
dũng in t vo cỏc cun dõy ca mch t. Di tỏc dng ca lc tỏc
ng lờn phn chuyn ng ca h truyn ng khụng tip xỳc s dng b treo t
tớnh, lc t c to lờn bi cỏc mch t tỏc dng lờn phn chuyn ng ny cn
phi thay i mt cỏch phự hp m bo khe h xỏc nh gia phn chuyn ng
v phn tnh ca . Thụng
th

ng
trong thc t, vic xỏc nh
trc
c v nh
lng v quy lut thay i ca cỏc lc ngoi sinh l rt khú hoc khụng th c.
Hn na, iu kin lm vic ca cỏc h truyn ng khụng tip xỳc s dng b treo
t tớnh thay i dn n vic xỏc nh
trc
cỏc thụng s ca l khú khn. Ngoi
ra ng lc hc ca h truyn ng khụng tip xỳc s dng b treo t tớnh l phi
tuyn c v c v in, ngha l quan h ng gia hiu in th hoc cng
dũng in t vo cỏc cun dõy t v lc t tỏc dng lờn phn chuyn ng c
mụ t bng h
phng
trỡnh vi phõn phi tuyn. Vỡ vy, thit k cỏc b iu khin
cho cỏc h truyn ng khụng tip xỳc s dng b treo t tớnh t cht
lng
cao l
khú khn v cn thit trong cỏc ng dng thc t cú s dng cỏc h truyn ng

khụng tip xỳc s dng b treo t tớnh.
1.1.3 Gii thiu cu trỳc c trng ca mt h thng truyn ng ng c
c trang b cỏc t tớnh.
Hỡnh 1.3 ch ra cu trỳc c
trng
ca mt h thng truyn ng ng c c
trang b cỏc t tớnh. ng c s
c
t gia 2 t tớnh
hng
tõm. Mi
t tớnh
hng
tõm s to ra cỏc lc
hng
tõm trong 2 h trc ta
hng
tõm
trc giao. Cỏc lc
hng
tõm ny c iu khin bi cỏc h thng iu khin cú
phn hi õm do ú v trớ trc hng tõm c iu chnh v trng tõm ca nũng
stato. t tớnh phớa bờn tay trỏi
c
iu chnh i vi 2 trc ta x
1
v y
1
.
t tớnh phớa bờn tay phi c iu chnh i vi 2 trc ta x

2
v y
2
. S xờ
Hỡnh 1.3 ng c vi cỏc t tớnh
S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá
6
dch v trớ theo trc z tc l theo
hng
ca trc quay,
c
iu chnh bi nhng
lc

hng
trc phỏt ra bi mt t tớnh dch chuyn. Tng s cú tt c 5 hng
x
1
, y
1
, x
2
, y
2
, z chỳng
c
iu chnh bi cỏc h t tớnh.
Mi mt t tớnh cú 4 cun dõy stato : 2 cun dõy
c
t theo trc x v
2 cun cũn li t theo trc y. Vi mt dũng in trong mt cun dõy, mt lc hỳt
in t s c to ra. Mt lc hng tõm theo hng trc x c to ra bi s
khỏc bit gia cỏc lc hỳt in t to ra bi cỏc cun dõy t theo trc x.
Hỡnh 1.3 - ng c vi cỏc t
Cỏc dũng in trong cỏc cun dõy ca t tớnh s
c
iu chnh bi cỏc mch
in t cụng sut. Trong a s cỏc
trng
hp
ngi
ta s dng b bin i ngun
in ỏp mt pha. Mi b bin i ngun 1 pha cú th iu chnh mt dũng in ca
1 cun dõy, do ú mi t tớnh cn cú 4 b bin i

tng
ng vi 8 dõy dn
vo ra.
Trong t tớnh dch chuyn cú 2 cun dõy, do ú 2 b bin i 1 pha c
kt ni iu chnh cỏc dũng in ca cun dõy v phỏt ra lc
hng
tõm theo
hng
trc.
ng c chu trỏch nhim phỏt ra momen xon quanh trc z. Tc quay ca trc
c
iu chnh bi momen xon ca ng c. Mt b bin i 3 pha
c
ni ti
ng c qua 3 dõy dn vi cỏc cun dõy ca ng c
c
ni theo hỡnh sao hoc
S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá
7
tam giỏc. B bin i cung cp in ỏp v tn s thay i
c
da theo tc quay
ca trc v cỏc yờu cu v momen xon. Vi a s ng c, tn s ca b bin i
t l thun vi tc v t s in ỏp / tn s thụng
th

ng
l hng s cho ti vựng
suy yu ca t trng.
1.1.4 Gii thiu h truyn ng khụng tip xỳc
Hỡnh v 1.4 gii thiu cu trỳc ca mt h truyn ng khụng tip xỳc. Hai
khụng tip xỳc
c
thit k trờn cựng mt trc truyn ng. Mi thit b phỏt
ra cỏc lc
hng
tõm cng
nh
cỏc mụ men quay. Thit b khụng tip xỳc phớa
bờn trỏi cú h trc
hng
tõm x
1

, y
1
; cũn thit b phớa bờn phi cú h trc
hng
tõm
x
2
,y
2
. Mụ men truyn ng tng bng hai ln mụ men
c
tớnh ca mi thit b bi
hai thit b ny chia s vi nhau
lng
mụ men. Mi khụng tip xỳc cú 3 u
ni cho h thng treo v 3 u ni cho ng c. Cỏc cun dõy pha
tng
ng phn
ng c ca hai thit b
c
ni ni tip theo cỏch ni sao (Y)
c
hỡnh thnh vi
hai cun dõy pha ni ni tip trong mi pha. Mt b bin i 3 pha n l
c
ni
ti cỏc cun dõy ni ni tip ca phn ng c v cung cp in ỏp v tn s thay
i
c
cho truyn ng ng c. Ti cỏc u ni cỏc cun dõy ca phn treo, 2 b

bin i 3 pha c lp
c
ni ti cung cp cỏc dũng in yờu cu vi mc ớch
phỏt ra cỏc lc hng tõm theo 4 hng
nh
c yờu cu bi cỏc b iu khin
phn hi õm v cỏc sensor khong cỏch.
Chỳng ta cú th nhn thy nhng li ớch sau ca truyn ng khụng tip
xỳc :
- Gn: trc quay ngn dn ti tc cao v hot ng n nh hn.
- Giỏ thnh thp: s
lng
dõy dn ớt hn. S
lng
ca cỏc b bin i ớt. Cỏc b
bin i 3 pha giỏ thnh r cng
c
s dng.
- Cụng sut cao: truyn ng khụng tip xỳc cú th sn sinh cụng sut gia tng
vi cựng 1 chiu di trc.
Nhng li th ny
c
hin thc húa
nh
l mt kt qu ca vic tớch hp t
tớnh
hng
trc v ng c.
S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá
8
Cm t treo Cm t treo t chn
y
1
y
2
z
x
1
x
2
3 3
4
1 2 3

1 2 3 1 2 3 4
Hỡnh 1.4 - Truyn ng khụng tip xỳc
1.1.5 Cu trỳc khụng tip xỳc
Gii thiu hỡnh dng bờn ngoi ca mt t
Hỡnh 1.5 - Hỡnh dng c bn ca t
Hỡnh v 1.6(a,b) trỡnh by mt b treo t tớnh ch ng theo 2 trc. Trong hỡnh
1.6a, mt trc
c
chốn vo lừi ca rụ to. B treo t tớnh hai trc
c
thc hin
bi cỏc lc t gia roto v stato. Ti ỏy ca trc cú t mt xoay c nh v trớ
hng trc v hng tõm ca im cui ca trc. Cu trỳc ny thớch hp cho cỏc
mỏy cú trc thng ng.
hỡnh 1.6b, trc ny b loi b. Vic tỏc ng ch theo 2 trc cung cp mt b
treo b ng vi s dao ng v di ng dc theo trc quay. Do vy, tn ti mt gii
hn v di ca lừi theo trc thc hin b treo b ng. Vi thit k chớnh xỏc,
các truyền động ổ đỡ không tiếp xúc giá rẻ và gọn nhẹ kiểu này đã từng
đƣợc
thực
hiện.
Hình 1.6 - Bộ treo chủ động theo 2
trục:
(a) điểm đỡ trục tại đáy (b) không có tiếp
xúc
Hình vẽ 1.7(a-d) trình bày mặt cắt ngang và cách thực hiện bộ treo chủ động
theo 5
h
ƣ
ớng.

Hai ổ đỡ không tiếp xúc cần thiết phải có để phát ra lực
hƣớng
tâm
theo 4
h
ƣ
ớng.
Thêm một ổ đỡ từ dịch chuyển nhằm xác định vị trí của trục theo
hƣớng
thứ 5. Có 2 ro to trên trục tác động theo bộ đôi ở trong hình 1.7a. Roto và
trục quay bên trong 2 lõi stato. Các phụ tải dạng bơm và quạt nén có thể
đƣợc
gắn
vào một đầu của trục. Trong hình 1.7b ro to nằm phía bên ngoài 2 stator. Cấu trúc
này phù hợp cho các truyền động bánh đà
nhƣ
ổ đĩa DVD và các truyền động cho ổ
đĩa cứng. Cấu trúc trong hình 1.7c là một biến thể của hình 1.7a với một trục rỗng
cho phép dòng khí thổi qua. Ổ đỡ dịch chuyển dọc nằm giữa 2 ổ đỡ từ tính tạo nên 1
bộ treo đầy đủ theo 5 trục. Cấu trúc này phù hợp cho các hệ nhƣ đồng hồ đo lƣu
lƣợng,
bơm đóng hộp và spindle. Trục rỗng cũng có thể
đƣợc
sử dụng để lắp bánh
xe. Trong hình 1.7 (a.c), một ổ đỡ từ dịch chuyển dọc trục quay
đƣợc
sử dụng, tuy
nhiên nó không cần thiết trong vài trƣờng hợp nếu lực dọc trục quay nhỏ hoặc
không yêu cầu việc xác định chính xác vị trí của trục.
Trong các

trƣờng
hợp này việc xác định vị trí dọc trục có thể
đƣợc
thực hiện bởi
bộ định vị bị động
nhƣ
trong hình 1.7d. Trong hình vẽ này, các roto của hai ổ đỡ từ
tính bị hấp dẫn một cách tự nhiên đến các vị trí trung tâm của trục nhờ các lực từ.
Bởi vì các ổ đỡ từ tính phát ra từ thông đáng kể, trục sẽ chịu đủ lực đàn hồi qua sự
di động theo
hƣớng
trục để giữ cho truyền động ổn định theo
hƣớng
dọc trục.
Stator
Rotor
ổ từ
treo 1
ổ từ
treo 2
Ổ từ
chặn
Rotor
Ổ từ
chặn
ổ từ
treo 1
ổ từ
treo 2
Stator

ổ từ
(a) (b)
ổ từ
treo 1
treo 2
Stator
ổ từ
treo 1
ổ từ
treo 2
Stator
Rotor
Rotor
(c)
Ổ từ
chặn
(d)
Hình 1.7 - Những biến đổi hệ treo tác dụng theo 5 phương
a. Rotor bên trong; b. Rotor ngoài;
c. Rotor rỗng; d. không gian lắp đặt tải nằm giữa trục.
Trong các hình vẽ 1.8(a-c), chỉ ra mặt cắt ngang của các ổ đỡ không tiếp xúc
khác nhau khi chúng đƣợc kết hợp với ổ đỡ từ tính thông
th
ƣ
ờng
hoặc ổ đỡ cơ khí
thông
th
ƣ
ờng.

Trong hình vẽ 1.8a ổ đỡ phía bên trái là ổ đỡ từ tính hƣớng tâm
truyền thống. Chỉ có ổ đỡ phía bên phải là ổ đỡ không tiếp xúc. Sự sắp đặt này phù
hợp cho một tải có lực
hƣớng
tâm lớn nối vào phía bên trái của trục. Trên hình 1.8b
các ổ đỡ cơ khí
đƣợc
đặt ở cả hai phía của ổ đỡ không tiếp xúc. Khi tốc độ quay cực
cao, trục sẽ có tốc độ bị giới hạn do tính chất bị bẻ cong của trục đàn hồi. Tại những
tốc độ này, những rung động sẽ xuất hiện. Ổ đỡ không tiếp xúc có thể triệt tiêu các
rung động này và hỗ trợ sức nặng của trục. Trên hình 1.8c, một phụ tải
đƣợc
kéo
bởi một động cơ thông
th
ƣ
ờng
với một trục dài. Ổ đỡ không tiếp xúc
đƣợc
đặt gần
chính giữa trục này với mục đích để triệt tiêu các rung động của trục.
Hình 1.8- Sự kết hợp với ổ đỡ từ và ổ đỡ cơ khí thông thường
a. Với ổ đỡ từ thông thường
b. Với ổ đỡ cơ khí thông thường
c. Với trục dài
không tiếp xúc
Ta có thể so sánh một vài khía cạnh của các loại động cơ ổ đỡ
Các đặc tính
và
H

c
ì
h
n
u
h
ẩn
1.
h
9
o
-
ạt
M
đ
ộ
ộ
t
ng
số
đ
h
ƣ
ì
ợ
n
c
h

c

ả
h
n
i
h
a
ổ
th
đ
àn
ỡ
h
từ
2

t
t
r
h
u
à
y
n
ề
h
n
p
thố
ầ
ng

: Lực và mô men
Từ đặc tính hoạt động theo mô men, hiệu suất của động cơ là tỉ số giữa công
suất cơ đầu ra của trục và công suất điện đầu vào. Hiệu suất này
th
ƣ
ờng
là cao đối
với động cơ từ
trƣờng
vĩnh cửu. Động cơ cảm ứng có rôto hình trụ và mô men êm ả.
Chúng cũng gọn nhẹ bởi sự phát triển của nam châm vĩnh cửu dùng vật liệu hiếm.
Động cơ cảm ứng có một rotor hình trụ bền vững và một mômen xoắn êm dịu. Các
động cơ từ
trƣờng
gián đoạn và động cơ đồng bộ có lợi thế về sự đòi hỏi về vật liệu
thấp nên rất thích hợp cho các sản phẩm có khối lƣợng.
Bảng 1
Ta có bảng so sánh các động cơ ổ đỡ không tiếp xúc
Tiêu chuẩn Động cơ
cảm ứng
Động cơ
đồng bộ
nam châm
vĩnh cửu
Động cơ từ
trở đồng bộ
Động cơ từ
trở gián đoạn
Lực xoắn
Hiệu suất 4 5 4 4

Tính chính xác 4 5 4 4
Tính bền vững 3-5 3-5 3-5 4
Tính ổn định 5 4 4 3
Giá thành ĐC 4 3 5 5
Mô men quay
Nhiệt độ 3 4 4-5 5
Điều khiển gián tiếp 3 4 5 4